基于深度全卷积神经网络的大田稻穗分割

稻穗的准确分割是获取水稻穗部性状、实现水稻表型自动化测量的关键。该研究应用水稻图像数据集及数据增广技术,离线训练了用于稻穗分割的3个分别基于Seg Net,Deep LAB和PSPNet的全卷积神经网络。综合考虑分割性能和计算速度,优选了基于Seg Net的网络,称为Panicle Net。在线分割阶段先将原始图像划分为子图,由Panicle Net分割子图,再拼接子图得到分割结果。比较该算法及现有作物果穗分割算法Panicle-SEG、HSeg、i2滞后阈值法及joint Seg,该算法对与训练样本同年度拍摄样本Qseg值0.76、F值0.86,不同年度样本Qseg值0.67、F值0.80,远优于次优的Panicle-SEG算法,且计算速度约为Panicle-SEG算法的35倍。该算法能克服稻穗边缘严重不规则、不同品种及生育期稻穗外观差异大、穂叶颜色混叠和复杂大田环境中光照、遮挡等因素的干扰,提升稻穗分割准确度及效率,进而服务于水稻育种栽培。     

Quantitative trait loci mapping of forage agronomic traits in six mapping populations derived from European elite maize germplasm

Four agronomic traits were analysed including dry matter concentration (DMC) and dry matter yield (DMY) for stover, plant height (PHT) and days from planting to silking (DPS). We mapped quantitative trait loci (QTL) in three populations with doubled haploid lines (DHL), one RIL population and two testcross (TC) populations derived from crosses between two of the four populations mentioned above to elite tester lines, based on field phenotyping at multiple locations and years for each; 146–168 SSRs were used for genotyping of the four mapping populations. Significant high phenotypic and genotypic correlations were found for all traits at two locations, while DMC was negatively correlated with the other traits. A total of 42, 41, 54, and 45 QTL were identified for DMC, DMY, PHT, and DPS, respectively, with 9, 7, 12, and 7 major QTL for each trait. Most detected QTL displayed significant interactions with environment. Major QTL detected in more than two populations will contribute to marker‐assisted breeding and also to fine mapping candidate genes associated with maize agronomic traits.     

农田边界植物多样性与生态服务功能研究进展

农业集约化和城市化导致农业景观重要生境发生巨大变化,农田野生动植物数量下降。农田边界作为农业景观中重要的组成部分,其丰富的物种组成,不仅具有重要的生态功能,也具有重要的景观价值。本研究对农业生态系统农田边界植物多样性进行阐述,论述了影响农田边界植物多样性的影响因素和生态服务功能。综述研究显示,农田边界具有类型多样性、物种多样性、植物功能类型多样性及时空结构多样性特征;其影响因素主要包括4个方面：农田边界结构、农田边界管理、周边土地利用影响以及景观结构特征的影响;农田边界生态功能包括：生产、环境保护、野生动植物保护和景观美学功能等;最后总结了不同类型农田边界生态植被营建模式与优化途径,对中国农田边界植被管护提出了一些建议。     

免耕播种机凹面爪式清茬机构仿真与试验

机具的清茬效率是秸秆覆盖条件下免耕播种的重要指标。本文针对东北地区保护性耕作模式,在吉林省康达农业机械有限公司生产的2BMZF-2型免耕播种机上,改进设计一种具有凹面结构的秸秆清茬机构,分析了播种机作业速度、清茬轮入土深度以及清茬轮运动偏角等因素对清茬效果的影响。根据仿真分析以及田间试验结果确定了清茬机构的关键参数,以及最佳工作参数组合为:清茬轮轮盘直径D为350 mm、运动偏角λ为37.5°、机具速度v_0为2.77 m/s、入土深度d为70 mm。在上述参数条件下进行田间试验时,清茬率可达到83.61%。结果表明,本文所设计的清茬机构可有效清洁种床、减少机具堵塞,可以为东北地区玉米免耕播种作业提供技术支撑。     

玉米联合收获机贯流风阶梯式振动筛设计与试验

为降低筛分作业后籽粒损失率,同时保证籽粒清洁率,分析了玉米脱出物在气流场中运动状态,基于贝壳筛设计阶梯式筛体,并通过籽粒碰撞理论设计阶梯缓冲带,使籽粒在阶梯暂时"滞留",减轻杂余对籽粒夹带作用。在筛面振幅19 mm条件下,采用CFD-DEM耦合仿真方法,以入风口气流速度、气流角、阶梯高度和筛面振动频率为试验因素,玉米籽粒清洁率和损失率为试验指标,进行二次正交旋转组合试验。通过响应曲面方法对试验结果进行分析,利用软件对回归数学模型进行优化。结果表明:当气流速度、气流角、阶梯高度和振动频率分别为16 m/s、25°、8.36 mm和4.45 Hz时,籽粒损失率和清洁率分别为1.69%和98.8%,通过贯流风阶梯式振动筛台架试验验证了结果的准确性。通过对比试验得到,阶梯式贝壳筛作业后籽粒损失率降低为2.12%,清洁率提高到99.16%,清选性能得到提高。     

四要素变量施肥机肥箱施肥量控制算法设计与试验

针对黑龙江农垦地区垄作玉米施肥过程中遇到的肥料分层问题,设计了一种四要素变量施肥控制系统。系统采用电液比例控制技术,主要由液晶显示终端、变量施肥控制器、4路液压马达和编码器、4路排肥机构（排肥轴和外槽轮）和GNSS模块组成。为了实现氮肥、磷肥、钾肥和微肥的一次性及时、准确施用,提出了一种基于复合交叉原则的各路施肥量确定策略,基于PID技术设计了液压马达控制算法。根据用户在变量施肥控制软件中设置的目标施肥量,系统自动确定各肥箱精确施肥量,基于PID液压马达控制算法,实时计算4路液压马达的目标转速,同步向控制器发送4路转速指令,一次性完成氮肥、磷肥、钾肥和微肥4种肥料的同步变量施用。为了验证各路施肥量控制算法的效果,分别进行了PID算法响应时间和精度试验、变量施肥系统单质肥排肥性能验证试验和作业条件下各肥箱施肥量控制算法验证试验。试验结果表明,基于PID技术的排肥轴转速控制算法响应时间不大于0.5s;变量施肥系统单质肥排肥性能误差绝对值不大于3%;作业条件下各路施肥量控制算法显著减少了氮素的施用量,实现了氮肥、磷肥、钾肥的精确投入。四要素变量施肥机各路施肥量控制算法完全满足了垦区玉米施肥精确、均匀施用的要求。     

玉米穗茎兼收割台切碎装置参数优化

针对玉米穗茎兼收割台的需求,设计了一种横置滚筒式茎秆切碎装置,并对其切碎性能及割台摘穗性能进行了试验研究。通过对切碎装置工作原理的分析,确定在拉茎速度与切碎滚筒转速比值一定的条件下,以机器作业速度、动刀切割前角、切碎滚筒转速为自变量,以玉米果穗损失率、籽粒破碎率、籽粒损失率、茎秆平均切段长度和几何标准差为试验指标,利用Box-Benhnken Design中心组合试验设计原理,进行了3因素3水平正交旋转组合田间试验,利用Design-Expert软件对试验结果进行了响应面分析和回归分析,得到试验指标与试验因素间的数学模型。试验结果表明：机器作业速度和切碎滚筒转速与5个试验指标有二次非线性关系,动刀切割前角仅与茎秆平均切段长度、几何标准差有二次非线性关系,因素的交互项中仅机器作业速度与切碎滚筒转速的交互项对籽粒破碎率、茎秆平均切段长度有显著影响。对切碎滚筒转速进行圆整,得到最优参数组合为：机器作业速度为1.35m/s,动刀切割前角为52°,切碎滚筒转速为1350r/min,此时果穗损失率为1.1%,籽粒破碎率为0.23%、籽粒损失率为0.74%、茎秆平均切段长度为30.73mm、几何标准差为1.28。与田间试验结果对比可知,回归模型有很好的可靠性。将最优组合试验结果与优化前的参数组合（机器作业速度为1.11m/s,动刀切割前角为53°,切碎滚筒转速为1657r/min）得到的结果进行比较可知：优化后较优化前果穗损失率降低0.4%,籽粒破碎率降低0.784%,籽粒损失率降低1.318%,茎秆平均切段长度缩短12.20mm,几何标准差减少0.34。优化后试验指标低于标准规定的指标值,满足设计要求。     

铺膜插秧后水田3SCJ-1型除草机设计与试验

为实现铺膜插秧种植方式的有机水稻全程绿色无污染化作业,解决地膜两侧单行内杂草难以根除的问题,根据农艺要求,设计了一种针对铺膜插秧后除草作业的3SCJ-1型单行水田除草机。阐述了基本结构组成和工作原理,分析了除草部件的运动学与动力学特征,建立了除草部件、机架与仿形浮漂整体的力学模型,推导出除草机的驱动扭矩。以机器前进速度和除草深度为试验影响因素,除草率作为评价指标,对除草性能进行单因素田间试验,并运用Design-Expert 8.0.6软件对试验数据进行分析,得到影响因素与评价指标之间的数学模型。试验结果表明:当机器前进速度从0.3 m/s增大至0.6 m/s时,除草率先增大后减小,并在前进速度为0.45 m/s时,除草率达到最大值(78.52%);当除草深度从50 mm增大至110 mm时,除草率持续增大,但考虑到除草机的功耗,最佳除草深度取为50~100 mm,在除草深度为100 mm时,除草率为79.26%。除草机平均除草率为78.02%,满足铺膜插秧种植方式水田除草的农艺要求。     

对冲喷头喷雾场液滴分布特性试验

植保扇形喷头的喷雾扇形面内不同位置处液滴直径是不相同的,呈现接近于U形分布的中间液滴直径小而两侧液滴直径偏大的情况,这导致同高度水平方向上各点处的液滴在靶标上的沉积行为不同,致使防治效果存在差异。本文对出水口孔径1mm和切槽角30°的对冲喷头喷雾场的液滴直径分布特性进行试验,该喷头是基于射流和撞击流耦合作用的新型喷头,发现对冲喷头在喷雾扇形面内的液滴直径呈现中间区域液滴直径较大且均匀而两侧液滴直径较小的特性,如喷施压力0.4MPa时在300mm高度测试面上,喷雾扇形面内中间区域液滴直径在265~268μm,而靠近两侧边缘处的液滴直径在250~252μm,这有利于解决喷杆式喷雾机大田作业时液滴直径分布不均匀的不足;并对喷头这一特性进行理论分析,提出在分裂区的3次雾化（即扰动雾化、撞击雾化和振荡雾化）是引起这一特性的根本原因。同时采用径向不均匀指数对喷雾场的液滴分布均匀特性进行定量表征分析,发现径向不均匀指数能够总体反映喷雾场的非均匀特性,当喷施压力在0.6~0.7MPa范围时,径向不均匀指数在0.47~0.51较小范围内变化,说明在该压力范围内工作时喷头喷雾场具有良好的液滴均匀分布特性。     

气力式水稻穴盘成型机气流分配室流场仿真与优化设计

合理的气流分配室结构是气力式水稻穴盘成型机正常工作的前提条件。为了保证气流分配室具有均匀的流场结构,生产出合格的穴盘,以气体控制方程为理论依据,利用FLUENT软件对气流分配室内气流场进行了仿真分析。结合正交试验设计和数值模拟技术,以腔体厚度、通气孔直径和底角为影响因素,速度不均匀系数为评价指标,对气流场进行了单因素和正交模拟仿真试验,结果表明各因素对试验结果影响的主次顺序为配气腔体厚度、通气孔直径、底角;当腔体厚度、通气孔直径和底角分别为110 mm、15 mm和0°时,气流分配室流场均匀性较理想,此时速度不均匀系数为11.37%。试验结果表明,仿真结果与实测结果的平均相对误差为1.59%,双侧相关系数为0.028,存在显著相关关系;穴盘生产成型率为92.3%,穴孔质量和底面厚度的变异系数分别为10.2%和9.81%,满足穴盘生产要求。